Xây dựng thí nghiệm kỹ thuật số dạy học Vật lý 10 theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu

Phương pháp giáo dục sử dụng thí nghiệm kỹ thuật số dạy học Vật lý 10. Khám phá công nghệ số, ứng dụng hiệu quả và kỹ năng thực hành trong giảng dạy.

• Tác giả: Mai Hoàng Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Xuân Quế
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
• Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí
• Đề tài: Xây dựng và sử dụng các thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu trong dạy học một số kiến thức về động lực học chất điểm và các định luật bảo toàn - Vật lí 10 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ Khoa học Giáo dục
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thí nghiệm kĩ thuật số trong dạy học dựa trên nghiên cứu

Thí nghiệm kĩ thuật số mô phỏng trên máy tính (TNTTTMH) là phương pháp hiện đại trong dạy học Vật lí. Đối tượng nghiên cứu là các hiện tượng, quá trình Vật lí thực được ghi lại dưới dạng gốc và đưa vào máy tính. Thông qua công cụ phần mềm, học sinh thao tác trên màn hình để tương tác với đối tượng nghiên cứu. Phương pháp này phù hợp với quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu (DHDBNC). Trong DHDBNC, học sinh chủ động đặt giả thuyết, thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu và rút ra kết luận. Giáo viên đóng vai trò hướng dẫn, tạo tình huống vấn đề. TNTTTMH giúp tiết kiệm thời gian đo đạc, xử lí số liệu. Học sinh tập trung vào hoạt động tư duy phân tích, tổng hợp. Công nghệ số cho phép lặp lại thí nghiệm nhiều lần với các tham số khác nhau. Mô phỏng trực quan giúp học sinh hình dung rõ ràng các quá trình chuyển động nhanh. Đây là xu hướng giáo dục tiên tiến, tích hợp công nghệ thông tin vào giảng dạy khoa học tự nhiên.

1.1. Khái niệm dạy học dựa trên nghiên cứu trong dạy học Vật lí

1.2. Đặc điểm thí nghiệm kĩ thuật số mô phỏng trên máy tính

II. Phân tích vấn đề dạy học động lực học chất điểm và định luật bảo toàn

Động lực học chất điểm và Các định luật bảo toàn là hai chương quan trọng trong phần Cơ học Vật lí 10. Nội dung nghiên cứu chuyển động dưới tác dụng lực, là nền tảng cho các kiến thức nâng cao hơn. Học sinh gặp nhiều khó khăn khi học phần này. Các hiện tượng chuyển động tuy gần gũi với kinh nghiệm sống nhưng khi phân tích sâu thì phức tạp. Việc xác định vị trí, sự thay đổi vận tốc, lực tác dụng lên vật ở thời điểm bất kì là thách thức lớn. Hầu hết các chuyển động cần nghiên cứu trong chương trình phổ thông xảy ra rất nhanh. Bộ thí nghiệm truyền thống tồn tại nhiều hạn chế. Phương pháp dùng ống nhỏ giọt, cần rung điện, đồng hồ hiện số đòi hỏi nhiều thời gian đo đạc. Giáo viên và học sinh mất thời gian xử lí số liệu, vẽ đồ thị phân tích. Thời gian dành cho hoạt động tư duy bị thu hẹp đáng kể. Thiết bị phòng thí nghiệm thường đắt tiền, không phải trường nào cũng trang bị đủ.

2.1. Khó khăn của học sinh khi học động lực học chất điểm

2.2. Hạn chế của thí nghiệm truyền thống trong dạy học định luật bảo toàn

III. Giải pháp xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu

Giải pháp là xây dựng TNTTTMH kết hợp phương pháp DHDBNC. Quy trình bao gồm các bước cụ thể. Bước một, tạo tình huống vấn đề liên quan đến kiến thức động lực học hoặc định luật bảo toàn. Bước hai, học sinh đặt giả thuyết dựa trên kiến thức sẵn có. Bước ba, học sinh sử dụng TNTTTMH để thiết kế và tiến hành thí nghiệm. Bước bốn, thu thập dữ liệu từ mô phỏng máy tính. Bước năm, phân tích dữ liệu, vẽ đồ thị, rút ra kết luận. Bước sáu, so sánh kết quả với giả thuyết ban đầu. Quy trình này phát triển năng lực giải quyết vấn đề toàn diện. Học sinh rèn luyện kĩ năng quan sát, phân tích, tổng hợp, đánh giá. TNTTTMH cho phép thay đổi tham số thí nghiệm dễ dàng. Học sinh khám phá mối quan hệ giữa các đại lượng Vật lí một cách trực quan. Phương pháp này tiết kiệm thời gian, tăng hiệu quả dạy học.

3.1. Quy trình xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số mô phỏng

3.2. Tổ chức hoạt động dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề

IV. Kết luận và ứng dụng thí nghiệm kĩ thuật số trong thực tiễn dạy học Vật lí

Nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. TNTTTMH theo quan điểm DHDBNC phát huy hiệu quả trong dạy học Vật lí 10. Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được cải thiện đáng kể sau thực nghiệm. Học sinh chủ động hơn trong quá trình học tập, tư duy sáng tạo hơn. Kết quả kiểm tra cho thấy điểm trung bình tăng rõ rệt ở nhóm thực nghiệm. Thái độ học tập tích cực, hứng thú với môn Vật lí tăng lên. Giáo viên đánh giá cao tính khả thi của phương pháp. TNTTTMH dễ sử dụng, không đòi hỏi kĩ năng tin học cao. Phương pháp này áp dụng được cho nhiều chủ đề khác trong chương trình Vật lí. Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng sang các phân môn Hóa học, Sinh học. Cần xây dựng ngân hàng TNTTTMH phong phú, đa dạng. Đào tạo giáo viên sử dụng công nghệ trong dạy học là nhiệm vụ cấp bách.

4.1. Kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu quả

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng rộng rãi

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, làm thử, phân tích, phán đoán. Một số đề tài luận án tiến sĩ nghiên cứu dạy học dựa trên quan điểm nghiên cứu: Luận án Tiến sĩ Võ Văn Thông [38] nghiên cứu tổ chức hoạt động học tập vật lí của HS bậc THCS theo kiểu tìm tòi nghiên cứu nhằm phát huy tính tích cực, tự lực và phát triển năng lực sáng tạo cho HS, Luận án tiến sĩ giáo dục học Nguyễn Văn Nghiệp [23] nghiên cứu những vấn đề liên quan đến phương pháp dạy học và quy trình nghiên cứu khoa học để thiết kế tiến trình dạy học dựa trên quy trình nghiên cứu 10 khoa học, trong đó có chú ý đưa giai đoạn nghiên cứu tổng quan vào tiến trình dạy học, đồng thời, vận dụng tiến trình dạy học theo quy trình nghiên cứu khoa học để tổ chức dạy học một số kiến thức ở chương “Điện từ học” cấp THCS nhằm giúp HS phát triển năng lực khoa học, Luận án tiến sĩ giáo dục học Nguyễn Thị Thủy [43] nghiên cứu vận dụng dạy học theo LAMAP để tổ chức tiến trình hoạt động nhận thức một số kiến thức Nhiệt học thuộc chương trình THCS nhằm bồi dưỡng NLGQVĐ của HS và đưa ra tiến trình dạy học các môn khoa học tự nhiên theo LAMAP theo bốn giai đoạn: Vấn đề, đề xuất giải pháp, thực hiện giải pháp, đánh giá - nhìn nhận lại kết quả thực hiện và hợp thức hóa kiến thức; Luận án tiến sĩ Nguyễn Thị Thuần [41] nghiên cứu tổ chức dạy học tìm tòi khám phá chủ đề “Nước trong cuộc sống” nhằm bồi dưỡng năng lực khoa học của học sinh. Bên cạnh đó nhóm tác giả Nguyễn Văn Biên, Tưởng Duy Hải, Nguyễn Anh Thuấn, Trần Bá Trình cũng nghiên cứu và xây dựng bốn bước dạy tìm tòi khám phá trong dạy học STEM và tiến trình tìm tòi khám phá theo con đường khoa học và con đường công nghệ [4]: Cảm nhận bằng trực giác, kinh nghiệm, huy động kiến thức; Đặt ra vấn đề và đề xuất các phương pháp giải quyết; Tìm kiếm thông tin và xây dựng các câu trả lời và cấu trúc, xây dựng lại các kiến thức thu được để kết luận. Có thể thấy, dạy học dựa trên nghiên cứu đã được nhiều tác giả quan tâm, nghiên cứu và vận dụng ở nhiều cấp độ khác nhau.

Tuy nhiên, trong lí luận dạy học Vật lí theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu chưa đề cập đến việc phát hiện và GQVĐ ở mức cao. Hoặc vấn đề này có đề cập đến, nhưng cũng chưa thấy đưa ra biện pháp nào để giải quyết. Các nghiên cứu về dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề Thuật ngữ năng lực có nguồn gốc Latin “Competentia”, trong tiếng Anh, năng lực là “Competency”. Nhiều công trình nghiên cứu của nhiều tác giả như Xavier Roegiers (2000), F.

Coolahan, Denyse Tremblay (2002) [52], Nguyễn Công Khanh (2016) [18] và nhiều chương trình nghiên cứu của các nước như Chương trình giáo dục phổ thông bang Québec, Canada năm 2004, chương trình giáo dục phổ thông của New Zealand, Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế thế giới 11 (OECD) [57], Chương trình giáo dục phổ thông - Chương trình tổng thể của Việt Nam [6] đã đưa ra các quan niệm khá phong phú, đa dạng về năng lực tùy theo góc độ tiếp cận. Có thể thấy dù cách phát biểu về năng lực là khác nhau, nhưng tất cả đều khẳng định và có điểm chung, năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể. Hai đặc trưng cơ bản của năng lực là: 1) Được bộc lộ, thể hiện qua hoạt động; 2) Đảm bảo hoạt động có hiệu quả, đạt kết quả mong muốn [5]. Chương trình tổng thể của Việt Nam đã xác định [45], năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí,.

thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể. Trong đó, năng lực cốt lõi là năng lực cơ bản, cần thiết mà bất kì ai cũng cần phải có để sống, học tập và làm việc hiệu quả. Năng lực cốt lõi gồm năng lực chung và năng lực đặc thù [6], [45]. Các năng lực cốt lõi cần phát triển cho học sinh Phát triển NLGQVĐ từ lâu đã được xác định là một trong những mục tiêu quan trọng của giáo dục.

Theo Chương trình giáo dục phổ thông - Chương trình tổng thể, NLGQVĐ là một trong những năng lực cốt lõi cần phải bồi dưỡng và phát triển cho người học trong học tập và trong cuộc sống [6]. Có nhiều nghiên cứu về dạy học phát triển NLGQVĐ của học sinh cũng như việc sử dụng các loại thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường THPT có thể kể đến như: Lê Đình Trung, Phan Thị Thanh Hội [48]; Nguyễn Thị Lan Phương (2014) [27]; 12 Đỗ Hương Trà, Phạm Xuân Quế, Ngô Diệu Nga, Nguyễn Văn Biên, Nguyễn Anh Thuấn, Tưởng Duy Hải [31], [45]; Phạm Thị Phú, Nguyễn Lâm Đức (2016) [9]; Nguyễn Thị Thủy (2018) [43]; Nguyễn Mai Hùng (2019) [16]; Ngô Trọng Tuệ (2019); Trần Ngọc Dũng (2020) [10]; Trần Ngọc Thắng (2020) [36]. Các nghiên cứu này chỉ ra quan niệm chung về NLGQVĐ; xác định các thành phần của NLGQVĐ và tập trung xây dựng đề xuất bộ công cụ đánh giá NLGQVĐ của học sinh. Nhóm tác giả Đặng Thị Oanh [25], Đỗ Hương Trà [45] đã xây dựng bảng Rubric đánh giá NLGQVĐ của HS gồm 4 thành phần và 3 mức tiêu chí chất lượng: Tìm hiểu khám phá vấn đề, đề xuất các giải pháp, lập kế hoạch thực hiện giải pháp, đánh giá và phản ánh giải pháp, đồng thời cũng đưa ra bảng kiểm quan sát NLGQVĐ theo 3 mức độ.

Ngoài ra tác giả Nguyễn Văn Biên [3] đề xuất khung năng lực đề cập đến các luận điểm về dạy học theo định hướng phát triển năng lực như phân tích các thành phần của quá trình dạy học phát triển năng lực, cách xây dựng và đánh giá hoạt động học tập nhằm phát triển năng lực học sinh trong dạy học môn Vật lí. Theo chúng tôi để phát triển NLGQVĐ ở mức cao của học sinh, giáo viên cần tổ chức, hướng dẫn cho học sinh tham gia vào các hoạt động học tập như nghiên cứu Vật lí (học tập dựa trên nghiên cứu). Để tổ chức được điều này đòi hỏi cần phải có các thiết bị vật lí hỗ trợ. Tuy nhiên việc xây dựng và hoàn thiện các thí nghiệm kĩ thuật số vật lí nhằm hỗ trợ tổ chức dạy học dựa trên nghiên cứu trong dạy học vật lí vẫn chưa được đề cập đến.

Các nghiên cứu xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học một số kiến thức về Động lực học chất điểm và Các định luật bảo toàn – Vật lí 10 Trên thế giới, trong những năm gần đây, bên cạnh việc xây dựng và sử dụng những thí nghiệm thật trong dạy học vật lí thì việc nghiên cứu xây dựng và sử dụng những loại thí nghiệm khác như TNKNMT, thí nghiệm mô phỏng trên máy tính… rất phát triển. Việc sử dụng TNKNMT cùng phần mềm xử lí số liệu thí nghiệm giúp cho việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn. Trong số những thí nghiệm đã được nghiên cứu xây dựng và sử dụng trong dạy học vật lí, chúng tôi quan tâm chủ yếu đến các loại thí nghiệm về động lực học 13 chất điểm và các định luật bảo toàn vật lí 10, cụ thể là các thí nghiệm về ba định luật Newton (Định luật I Newton, Định luật II Newton, Định luật II Newton), ĐLBT động lượng và ĐLBT cơ năng. Với những loại thí nghiệm nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã có nhiều hãng nghiên cứu sản xuất và được sử dụng theo các phương pháp khác nhau trong dạy học như: Phương dùng cần rung điện và băng giấy; Phương pháp dùng đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện; Phương pháp dùng cảm biến siêu âm, cảm biến lực kết nối máy tính … của các công ty sách thiết bị Nguyễn Tri Phương, công ty thiết bị Hồng Anh, hãng Phywe, Leybold của CHLB Đức, Vernier, Pasco của Mỹ, Coach của Hà Lan, ADDESTATION của Singapo [56] [54] [53] [50] [59].